BIFRED-單級(jí)PFC電路.doc

BIFRED電路工作原理Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy storage DC/DC，簡(jiǎn)寫為BIFREDBIFRED轉(zhuǎn)換器的主電路結(jié)構(gòu)圖1所示為一個(gè)DCM Boost PFC轉(zhuǎn)換器和反激轉(zhuǎn)換器組合而成的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)儲(chǔ)能用的大容量電容并聯(lián)耦合，分別由PWM開(kāi)關(guān)S1、S2控制。Boost轉(zhuǎn)換器工作在DCM模式，具有功率因數(shù)校正的功能，開(kāi)關(guān)的控制只是用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓?？梢詫oostPFC轉(zhuǎn)換器和反激式轉(zhuǎn)換器集成為單級(jí)，以省去反激式轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)S2，將變壓器初級(jí)電路稍加改變。例如，把儲(chǔ)能電容CB改成串接，把開(kāi)關(guān)S1置于二極管D1之后，并改變變壓器初級(jí)繞組的極性等，就形成了單級(jí)BIFRED轉(zhuǎn)換器。其主電路如圖2所示。功率因數(shù)校正與輸出電壓調(diào)節(jié)兩部分共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管S1。圖1 DCM Boost PFC轉(zhuǎn)換器和反激式轉(zhuǎn)換器組合而成的兩級(jí)轉(zhuǎn)換器圖2 BIFRED轉(zhuǎn)換器主電路BIFRED轉(zhuǎn)換器雖然是單級(jí)，但分析時(shí)可以分別考慮PFC轉(zhuǎn)換器和負(fù)載轉(zhuǎn)換器的功能。（1）PFC轉(zhuǎn)換器。DCM升壓轉(zhuǎn)換器由輸人電感L1、二極管D1、開(kāi)關(guān)管S1，儲(chǔ)能電容CB組成PFC轉(zhuǎn)換器,儲(chǔ)能電容CB是一個(gè)關(guān)鍵元件，它既是DCMBoost轉(zhuǎn)換器的輸出濾波電容，也是CCM反激式轉(zhuǎn)換器的輸入電壓源。（2）負(fù)載轉(zhuǎn)換器。由變壓器Tr、開(kāi)關(guān)管S1、輸出濾波電容C、輸出二極管D2組成負(fù)載轉(zhuǎn)換器，即工作于CCM模式的DCDC反激式轉(zhuǎn)換器。反激轉(zhuǎn)換器中Tr既是隔離變壓器，也起電感的作用，變比為n1，假設(shè)等效勵(lì)磁電感Lm并聯(lián)于次級(jí)繞組，則LM中的電流即為勵(lì)磁電流im。BIFRED轉(zhuǎn)換器的工作原理圖1所示為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)BIFRED轉(zhuǎn)換器的三個(gè)等效電路。假設(shè)輸出濾波電容C很大，可以等效成為電壓源Uo。圖2為BIFRED轉(zhuǎn)換器的工作波形圖。TonDuTs為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通的時(shí)間，Du為占空比，Ts為開(kāi)關(guān)周期；Toff（1Du）Ts為開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)間； Du1Ts為電流iL下降、但不為零的時(shí)問(wèn)；（1-Du-Du1）Ts為電流iL等于零的時(shí)間。（1）0tDuTs，開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，D2關(guān)斷。輸入電流iL上升，上升的斜率為Udc/L1,為整流輸入電壓。L1儲(chǔ)能，電容CB放電。變壓器的勵(lì)磁電感Lm儲(chǔ)能，勵(lì)磁電流上升，上升的斜率為UBnLm。等效電路如圖1（a）所示。圖1 一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)BIFRED轉(zhuǎn)換器的等效電路（2）DuTst（DuDul）Ts，開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，D2導(dǎo)通。L1的儲(chǔ)能對(duì)電容CB充電，iL下降，其下降斜率為-（UBnUo-dc）L1。勵(lì)磁電感Lm的儲(chǔ)能向負(fù)載釋放，使勵(lì)磁電流im下降，下降斜率為-Uo/Lm。等效電路如圖1（b）所示。（3）t（Du，Du1）Ts，開(kāi)關(guān)S1仍然關(guān)斷，電流iL等于零，勵(lì)磁電流im繼續(xù)以同樣的斜率線性下降。等效電路如圖1（c）所示。前面已經(jīng)說(shuō)明，DCM Boost PWM轉(zhuǎn)換器的電感電流峰值iLPK正比于sin|t|，具有PFC功能。一個(gè)BIFRED轉(zhuǎn)換器樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：Uo5V，P。90W，fs50kHz，71.12，輸人電流的3次諧波為16.84，5次諧波為2.715，7次諧波為2.3。圖2 BIFRED轉(zhuǎn)換器的工作波形BIFRED轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比（增益）M假設(shè)BIFRED轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0及儲(chǔ)能電容器上的電壓UB為直流，即忽略其2倍工頻紋波。根據(jù)L1和Lm承受電壓的伏秒平衡規(guī)律,L1工作在DCM模式：Lm工作于CCM模式：DudcDu1（UBnU。-U） （837）可知，BIFRED轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比M與負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)頻率等有關(guān)。有源功率的儲(chǔ)能電容CB的電壓應(yīng)力對(duì)于BIFRED和BIBRED轉(zhuǎn)換器來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能電容CB既是PFC級(jí)轉(zhuǎn)換器的輸出濾波電容，也是負(fù)載級(jí)轉(zhuǎn)換器的輸入電壓源。在恒頻下輕載工作時(shí)，負(fù)載電流下降，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間ton和占空比Du減小，但負(fù)載級(jí)轉(zhuǎn)換器的電壓調(diào)節(jié)作用使U。保持不變；則由式（840）可知UB將增大。將式（8-42）、式（843）代人式（837），可以得到UB的估算式如下由式（8-44）可知，在輕載情況下或輸人電壓增高、工作頻率降低時(shí)，UB都將升高。根據(jù)式（844）的計(jì)算可以得到BIFRED轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)能電容CB的電壓應(yīng)力曲線UBf（I。，ui），如圖1所示，Ui表示市電電網(wǎng)交流輸人電壓的有效值，10，U。5V，fs50kHz，L1170 H圖1 BIFRED轉(zhuǎn)換器儲(chǔ)能電容CB的電壓應(yīng)力曲線，UBf（I。，u）對(duì)于國(guó)際通用的電網(wǎng)電壓（AC 85265 V），BIFRED和BIBRED轉(zhuǎn)換器在輕載時(shí)，CB的電壓應(yīng)力UB將達(dá)到很高的數(shù)值。例如由圖1的曲線可知，若輸人交流AC 270 V，滿載時(shí)電壓應(yīng)力UB約為500V，20負(fù)載（4 A）時(shí)，UB將達(dá)到900 V。因此BIFRED和BIBRED轉(zhuǎn)換器用常規(guī)控制時(shí)，不適用于國(guó)際通用輸入電壓的情況。集成PFC整流器調(diào)節(jié)器的優(yōu)、缺點(diǎn)集成PFC整流器-調(diào)節(jié)器（BIFRED和BIBRED轉(zhuǎn)換器）的優(yōu)點(diǎn)是：電路簡(jiǎn)單，成本低；可以隔離絕緣；諧波電流滿足IEC1000-3-2；輸出電壓可以調(diào)節(jié)。存在的問(wèn)題是：輕載時(shí)，儲(chǔ)能電容CB電壓應(yīng)力高；開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，開(kāi)關(guān)電流應(yīng)力大。使儲(chǔ)能電容CB承受的黽壓CB：與負(fù)載無(wú)關(guān)的一種辦法是：升壓PFC轉(zhuǎn)換器和負(fù)載轉(zhuǎn)換器均工作在DCM模式，但這樣將增大器件的電流應(yīng)力，使導(dǎo)通損耗增大。表1給出了PFC級(jí)和負(fù)載級(jí)工作模式不同的三種方案的比較。表1 BiFRED運(yùn)行模式不同的三種方案優(yōu)、缺點(diǎn)比較PFC同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流整形及對(duì)輸出電壓調(diào)節(jié)的設(shè)計(jì)方案1 引言近年來(lái)PFC技術(shù)是電力電子學(xué)界的一個(gè)熱門話題，已經(jīng)提出了許多PFC電路。目前，帶有功率因數(shù)校正的開(kāi)關(guān)變換器通常分為兩級(jí)結(jié)構(gòu)和單級(jí)結(jié)構(gòu)。在兩級(jí)結(jié)構(gòu)中，第一級(jí)類似于Boost型PFC電路，目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波;第二級(jí)為DC/DC變換器或DC/AC變換器，目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負(fù)載匹配。由于兩級(jí)分別有自己的控制環(huán)節(jié)，使得這個(gè)電路具有良好的性能，但是，元器件個(gè)數(shù)太多，與沒(méi)有PFC的相同電路相比，成本約增加15%。為了使AC/DC電源在滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、高性能，于是對(duì)單級(jí)PFC的需求越來(lái)越緊迫，特別是在小功率應(yīng)用場(chǎng)合。單級(jí)PFC變換器使PFC和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，只有一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入電流的整形和對(duì)輸出電壓的調(diào)節(jié)。但是，單級(jí)功率因數(shù)校正電路有自己的缺點(diǎn)，當(dāng)PFC級(jí)工作在DCM模式，輕載時(shí)，直流母線(Bus)上的電壓將成為主要問(wèn)題。本文將從理論上推導(dǎo)DC/DC級(jí)工作在DCM模式時(shí)的直流母線電壓的公式(DC/DC級(jí)工作在CCM時(shí)的情況見(jiàn)文獻(xiàn)2)，然后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為解決問(wèn)題提供理論依據(jù)。同時(shí)，通過(guò)直流母線的推導(dǎo)，順便推導(dǎo)出電路的PF和THD。2 電路工作原理單級(jí)功率因數(shù)校正的主電路圖如圖1所示，它是一種簡(jiǎn)單的BIFRED(Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy Storage/DC-DC Converter)，工作波形見(jiàn)圖2。圖1 主電路示意圖圖2 工作波形圖雖然BIFRED只有一個(gè)開(kāi)關(guān)，但是和兩級(jí)的功能卻是一樣的。實(shí)際上，輸入電感L1，二極管D1，開(kāi)關(guān)S1，和儲(chǔ)能電容C1組成了一個(gè)DCM Boost功率級(jí)，而開(kāi)關(guān)S1，帶勵(lì)磁電感Lm的變壓器，輸出二極管D2和輸出濾波電容C2組成了一個(gè)反激級(jí)。其中變壓器原副邊匝比n=N1。0-t0段開(kāi)關(guān)S1導(dǎo)通，L1通過(guò)輸入整流電壓儲(chǔ)能，電感電流iL1(=iin)上升。同時(shí)，勵(lì)磁電感Lm通過(guò)電容C1放電而儲(chǔ)能，這時(shí)電容C1和變壓器原邊是并聯(lián)的。因而，勵(lì)磁電流上升。二極管D2由于反向偏置被關(guān)斷。t0-t1段t0時(shí)刻開(kāi)關(guān)S1關(guān)斷，隨著電感電流iL1下降到0，儲(chǔ)存在電感L1中的能量轉(zhuǎn)移到電容C1。在這個(gè)階段，D2導(dǎo)通，所以儲(chǔ)存在Lm中的能量轉(zhuǎn)移到輸出電阻。勵(lì)磁電流下降。t1-t2段t1時(shí)刻iL1下降到0，但勵(lì)磁電感Lm中的電流iLm可能還沒(méi)到0，假設(shè)在t2時(shí)刻iLm下降到0，則二極管D2關(guān)斷。為了獲取輸入電流的低諧波畸變，L1必須工作在DCM，也就是說(shuō)，iL1必須在開(kāi)關(guān)S1再次導(dǎo)通前下降到0。通常情況，Lm可以工作在DCM或者CCM。但是CCM工作存在輕載直流母線電壓過(guò)高的問(wèn)題。所以在設(shè)計(jì)中應(yīng)使L2工作在DCM狀態(tài)下。3 理論推導(dǎo)3.1 直流母線電壓的理論推導(dǎo)根據(jù)電感L1的伏秒平衡，得到DTs= (1)式中：uin（t）為輸入電壓瞬間值；L1為Boost電感；Ts為開(kāi)關(guān)周期；DTs為開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)間；Uo為輸出電壓；Ub為直流母線電壓（bus voltage）；n為變壓器匝比；D1Ts為電感電流的續(xù)流時(shí)間（D式（1）化簡(jiǎn)得D1= (2) 通過(guò)電感電流圍成面積計(jì)算，可得Iav(sw)= （3）式中：Iav（sw）為輸入電流的開(kāi)關(guān)周期平均值；Ip為輸入電流一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的峰值。把式（2）代入式（3），并令I(lǐng)p= ，得到Iav(sw)=D2uin(t)（4） 令T為工頻周期，則電路輸入功率Pin可由式（5）得到 Pin=Iav(sw)uin(t)dt（5） 令uin=Upsin(t)，把式（4）代入式（5），得到 Pin= sin2(t)dt（6）而輸出功率Po為Po= （7）式中：L2為原邊勵(lì)磁電感，L2=n2Lm; fs為開(kāi)關(guān)頻率。 把Ip=代入上式，得到Po=D2Ts（8）不考慮損耗，由Pin=Po可得 dt=1 (9) 通過(guò)上式，把已知條件(輸出電壓12V，n=7，開(kāi)關(guān)頻率50kHz)代入，就可以通過(guò)解方程得出直流母線電壓Ub。圖3為在不同條件下計(jì)算后所得到的直流母線電壓圖，橫坐標(biāo)是輸入電壓有效值（V），縱坐標(biāo)是直流母線電壓值（V）。圖3 直流母線電壓變化圖3.2 輸入電流PF以及THD計(jì)算功率因素（Power Factor）是實(shí)際消耗的功率與電力供給容量之比值。所以功率因素越高，電力在傳輸過(guò)程中即可減少無(wú)謂的損失并提高電力的利用率。功率因數(shù)的大小與電路的負(fù)荷性質(zhì)有關(guān)，如白熾燈泡、電阻爐等電阻負(fù)荷的功率因數(shù)為1,一般具有電感或電容性負(fù)載的電路功率因數(shù)都小于1.功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個(gè)重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)。功率因數(shù)低，說(shuō)明電路用于交變磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的無(wú)功功率大，從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。所以，供電部門對(duì)用電單位的功率因數(shù)有一定的標(biāo)準(zhǔn)要求。如果令= ，且Uin=Upsin()，則式（4）可變?yōu)?Iav(sw)= （10）這就是輸入電流的具體表達(dá)式。如果在輸入電壓90V,輸出電壓12V,L1/L2=0.5,n=7,開(kāi)關(guān)頻率50kHz時(shí)，通過(guò)式（9）得到直流母線電壓為151.628V.這時(shí)=0.382,如果令輸入電壓是標(biāo)準(zhǔn)正弦波，且與輸入電流同相，則通過(guò)對(duì)式（10）進(jìn)行傅立葉分析，可以得到輸入電流功率因數(shù)PF=0.98.總諧波畸變（THD）的計(jì)算公式為 THD= 100（11）可得到THD=4.12%4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)中，輸入電壓為90250V，輸出電壓12V，輸出功率72W，L1/L2=0.4，n=7,開(kāi)關(guān)頻率50kHz。圖4是在輸入電壓90V時(shí)，本單級(jí)PFC實(shí)驗(yàn)的輸入電壓和電流波形